细胞蛇的研究进展

李欣玲,张樱馨,李进兰,潘文鑫,王彦凤,杨丽蓉,王 通,俞晓丽

(宁夏医科大学生育力保持教育部重点实验室临床医学院基础医学院,中国宁夏 银川 750000)

2007年,英国牛津大学的刘骥陇等在研究果蝇U小体和P小体(U小体和P小体是真核生物细胞质中的无膜细胞器)的功能关系时,用4种针对Cup(P小体中的一种蛋白质)的抗体,对雌性果蝇的卵巢组织进行免疫组织化学染色,染色结果除了预期标记上的P小体外,还标记出了长条形的丝状结构[1]。这种结构的形状和数量与纤毛很相似,导致当时以为在果蝇中找到了有纤毛的新细胞类型。但后来的一系列实验表明,该结构与纤毛没有关系,于是将其命名为“细胞蛇”。最初是抗Cup抗体不纯产生假象,意外发现的细胞蛇,而采用亲和层析纯化后的抗Cup抗体无法再标记细胞蛇,这证明Cup蛋白并不存在于细胞蛇内。为了寻找细胞蛇的标志蛋白质,科研人员经反复验证,最终在2010年,确定果蝇中细胞蛇的主要组分是三磷酸胞苷合成酶(cytidine triphosphate synthetase,CTPS);同年,另外两个研究小组发现,细菌和芽殖酵母细胞中也具有类似蛇形的细长结构,其主要由核苷酸代谢过程中的CTPS在细胞中聚合而成,于是将这种结构称为“胞内蛇”(cellular serpent或cytoophidium),也称细胞蛇[2～3]。

2011年,研究人员在小鼠和人类细胞中也发现了细胞蛇的存在,其结构不仅可以由CTPS形成,也可以由肌苷一磷酸脱氢酶(inosine monophosphate dehydrogenase,IMPDH)等形成[4]。IMPDH 可以催化三磷酸鸟苷(guanosine triphosphate,GTP)从头合成[5],并组装成类似CTPS形成的丝状细胞蛇结构[4]。2013年,果蝇中的研究发现,虽然CTPS有3种亚型,分别为A、B、C亚型,但只有C亚型参与了细胞蛇形成;同时,果蝇卵巢的每个卵泡细胞中有且只有1根细胞蛇,每个卵室中的细胞蛇长度相似,这个特点使得卵泡细胞成为研究细胞蛇的理想模型[6]。2014年,相关研究发现,大肠杆菌中CTPS聚合会抑制CTPS的活性,且CTPS的丝状合成是核苷酸稳态所必需的,破坏后将影响细菌的生长和代谢[7～8]。当细胞内CTPS过表达时,细胞蛇的动态形成可以使细胞内CTPS水平得到显著缓冲而不至于过量;当细胞内CTPS明显不足时,细胞蛇则可以解聚以补充细胞内的CTPS含量;因此,细胞蛇可作为贮库通过调节游离活性CTPS水平,维持细胞内核苷酸的动态平衡[8]。另有研究发现,CTPS形成的细丝结构对底物和产物浓度的平衡十分敏感,细胞蛇可以随着底物浓度的改变而迅速发生结构改变[9]。

近年来的研究发现,在不同类型细胞中细胞蛇发挥的作用有所不同。在大肠杆菌、芽殖酵母中,细胞蛇有类似细胞骨架的功能,参与维持细胞的形态[2]。在淋巴细胞中,表达野生型CTPS-1或加入外源性CTPS能够恢复免疫系统中CTPS-1缺乏的T细胞增殖能力,从而促进细胞的增殖[10]。由于CTPS-1是细胞蛇结构的主要形成成分,所以淋巴细胞的增殖能力可能与细胞蛇存在密切联系。在肾癌细胞中,IMPDH形成的细胞蛇能够与Y盒结合蛋白1(Y-box binding protein 1,YB1)形成正反馈环,促进肾癌细胞的迁移和侵袭,导致癌细胞扩散,使病情加重[11]。而在果蝇的神经干细胞中,即使检测出来存在丰富的细胞蛇,但过表达CTPS却能阻止神经上皮细胞分化成神经细胞[12]。综上可知,细胞蛇可能在不同细胞的发育、代谢及增殖过程中充当着不可或缺的角色,对其展开深入研究具有重要意义。

1 细胞蛇简介

细胞蛇是近年来发现的一种新型细胞器。细胞内大部分细胞器如高尔基体、线粒体和内质网等都有膜包被,但细胞蛇是无膜包被的细胞器[13]。巧合的是,细胞蛇的组装过程和细胞骨架中微丝的组装过程相同,都是五步组成:核化(nucleating)、延伸(extending)、融合(fusion)、成束(bundling)、环化(cyclizing)[1](图1)。细胞蛇在细胞质中的具体组装过程为:首先,多个核化位点同时形成,每个核化位点延伸至数微米,形成小的动态细胞蛇;随后,小的动态细胞蛇通过头对头融合(head-to-head fusion)或者边对边融合(side-to-side fusion)的方式进行多次融合,形成中等大小的细胞蛇;之后,中等大小的细胞蛇逐渐变长变粗,形成一束;最后,成束的细胞蛇环化,形成环状或似环状的成熟结构,并具备了相应的调节细胞增殖、代谢及发育等的生物学功能[14]。

图1 哺乳动物细胞内细胞蛇的形成过程(改编自参考文献[14])多个核化位点形成,并延伸至数微米,形成小的动态细胞蛇;小的动态细胞蛇通过头对头融合或者边对边融合的方式进行多次融合,逐渐成束;最后环化,形成环状或似环状的成熟细胞蛇结构。Fig.1 Cytoophidium formation in a mammalian cell(adapted from Reference[14])Several nucleating sites are formed and extend to several microns to become small dynamic cytoophidia,which gradually become bundled after multiple head-to-head or side-to-side fusion.Finally,a mature ring-like cytoophidium is formed through cyclization.

2 细胞蛇在不同类型细胞中的功能

随着细胞蛇研究的不断深入,人们发现细胞蛇在各种类型的细胞中发挥的作用不尽相同[7,11,15～21](表1)。比如:在癌细胞中,细胞蛇可能会促进其增殖;而在神经干细胞中,细胞蛇过度表达则会产生抑制作用;在生殖系细胞中,细胞蛇可调节其增殖[15];在小鼠胰岛细胞中,IMPDH类型的细胞蛇与胰岛素的分泌相关[16];在大肠杆菌中,大规模细胞蛇形成会抑制CTPS活性,当其被破坏后,可扰乱大肠杆菌的生长和代谢调节[7];在裂殖酵母中,细胞蛇的组装对温度敏感,并可调节CTPS活性[17]。下文主要以癌细胞、神经干细胞以及卵泡细胞为代表对细胞蛇的功能进行阐述。

表1 细胞蛇在不同类型细胞中发挥的作用Table 1 The functions of cytoophidia in different types of cells

2.1 细胞蛇在癌细胞中的功能

Myc基因是癌细胞中的著名癌基因。研究表明,Myc基因在转录、翻译以及代谢水平控制CTPS的丝状合成。在果蝇癌细胞中,Myc基因的过度表达可以促进CTPS聚合形成细胞蛇,并使细胞蛇的长度增加[18]。此外,Myc基因在肿瘤模型中调节核苷酸代谢,而CTPS可以通过相邻细胞的胞质桥管道进行扩散,为细胞提供所需核苷酸[18];同时,高表达的CTPS可以促进核苷酸的合成,加速遗传物质DNA或RNA的合成及随后的转录翻译,从而促进细胞的增殖发育。在果蝇癌细胞模型中,当敲低CTPS的表达时,肿瘤的形成明显受到抑制[19]。在肝癌细胞中,研究者能检测到由CTPS聚合而成的细胞蛇,而在相邻的非癌症肝细胞中却检测不到,提示细胞蛇的形成可能与癌细胞的增殖速度、代谢偏好性等相关[20]。另有研究发现,由CTPS-1、CTPS-2、IMPDH1 和 IMPDH2 组装成的细胞蛇都天然存在于肾癌组织中,但只有IMPDH1在肾癌组织中的表达上调,并与YB1形成了正反馈环,能够明显促进肾癌细胞的迁移和侵袭[11]。由上述研究可推测,细胞蛇可促进癌细胞的增殖,从而导致癌症恶化。因此,我们不仅可以将细胞蛇作为预判癌症分期、分级和预后的分子标记,同时可通过研究破坏细胞蛇组装的靶向分子药物来治疗细胞蛇分子标记阳性的癌症。这无疑为临床癌症的治疗提供了新的靶点和研究方向。

2.2 细胞蛇在神经干细胞中的功能

果蝇视叶的神经干细胞中含有丰富的由CTPS形成的细胞蛇。研究表明,适量的CTPS表达能够促进干细胞的增殖,维持视叶稳态,并有助于视叶发育;但当其过量表达时,则会抑制细胞的增殖,影响视叶稳态[12]。小鼠大脑皮层中亦是如此,过度表达的CTPS会诱导细胞蛇结构的形成,进而抑制细胞增殖。神经元的合成是神经干细胞通过维持增殖和分化的平衡来稳定的。在神经干细胞中,细胞蛇通过打破这种平衡,促进干细胞离开增殖区,并通过促进神经祖细胞分化成神经元,减少神经干细胞的数量;同时,它还能抑制神经祖细胞的分裂活性,从而抑制干细胞的增殖[21]。在哺乳动物大脑中,新产生的神经元要经过从产生地到目的地的迁移,才能最终建立具有功能的神经通路。但细胞蛇结构的形成可能通过诱导迁移神经元顶突的延长或延缓皮质发育进程的方式,抑制皮质发育过程中神经元的迁移[21],从而抑制神经干细胞的增殖。由上述报道我们可以知道,细胞蛇在神经干细胞中具有重要作用。皮质中神经干细胞的数量是通过其自身持续的复制来稳定的,皮质板的结构则需要神经干细胞持续性地分化产生新生的迁移神经元来构成。当神经干细胞增殖过度时,皮质会由于干细胞池的耗竭而受损;而增殖不足则会影响皮质的正常发育,对大脑产生不可逆的损害。所以在神经干细胞中,CTPS的数量以及与之相关的细胞蛇结构的形成与表达的适度控制十分重要。

2.3 细胞蛇在果蝇卵泡细胞中的功能

研究发现,在果蝇卵巢组织中细胞蛇存在于早、中期的卵泡中,且每个卵泡细胞只含有1根细胞蛇[22]。在光学显微镜下观察果蝇生殖细胞时,我们可以看到大细胞蛇和小细胞蛇两种类型。大细胞蛇的形态大而粗,数量少,每个细胞中仅有1根或数根;小细胞蛇小而细,数量庞大,每个细胞中有成千上万根[1]。生殖细胞中的CTPS通过环状管道的扩散足以为卵泡细胞提供正常所需的核苷酸。在卵泡中,大部分CTPS是不活跃的,其在卵子发生大部分过程中形成了细胞蛇,保持较低的酶活性,即形成细胞蛇后的CTPS酶活性较低,但分散的CTPS和聚合成的细胞蛇是平衡存在的,当细胞蛇解聚即CTPS分散后,其酶活性恢复,变的活跃,此时CTPS通过上调核苷酸的产量来促进绒毛膜基因扩增和快速增殖[18]。细胞蛇的形成还可以抑制CTPS的泛素化,并进一步延长CTPS的半衰期,此时细胞蛇相当于CTPS的存贮库[23]。在卵母细胞发育过程中,单个大的卵母细胞含丰富的透明质,它们对核苷酸要求很大,需要大量的CTPS,此时先前形成的细胞蛇可以解体,为发育中的卵母细胞合成营养物质提供帮助。另外,生殖细胞膜的完整性和卵子发生必须维持足量的CTP水平[24],而CTPS可以催化CTP的合成,同时CTP通过参与甘油磷脂的合成和蛋白质的糖基化,也能促进细胞的增殖发育。综上可知,细胞蛇在卵母细胞的增殖发育中发挥了很大的作用。

3 细胞蛇的应用前景

细胞蛇的形成与CTPS的数量相关,因此与代谢状态、外部环境压力等有关。其合成机理和形成机理还有待进一步研究。基于目前的研究结果,细胞蛇对细胞增殖有着重要的影响。CTPS参与磷脂的合成,磷脂是有丝分裂核分离后胞质分裂过程中所需的组分[25],因此,它的功能与有丝分裂密切相关,但其促进增殖的机制尚未完全明确。它如果与有丝分裂或生殖细胞的减数分裂有关,研究者们后续可以试图寻找和摸索细胞蛇参与细胞分裂的机制,通过对具体机制和信号通路等的研究,提高细胞蛇在细胞增殖方面的应用。此外,细胞蛇能够促进癌细胞的增殖,研究者们可以在癌症靶向药物方面进行深入探索,寻找可能破坏细胞蛇组装的靶向药物,进而抑制癌细胞的增殖,阻止病情恶化,这将给癌症患者的靶向治疗提供又一个探索的方向。在雌性生殖干细胞方面,体外培养体系与卵泡微环境存在较大差异,导致卵母细胞无法在体外进行减数分裂;而研究发现卵泡中含大量CTPS[18],这可能给探索更接近卵泡内微环境的体外培养体系提供了线索,若能让细胞蛇参与体外微环境的创造并诱导细胞完成减数分裂,则可能给雌性生殖干细胞的体外培养困境和卵子发生障碍带来新的解决方法,这对染色体和纺锤体的完善性研究也有重要意义。最新的研究发现,ENDU-2[poly(U)-specific endoribonuclease]通过控制CTPS-1的磷酸化调节CTPS-1的活性,进而调节核苷酸代谢;同时,如果核苷酸失衡或者有其他遗传毒性应激,ENDU-2也能通过调节生殖谱系的细胞增殖来积极应对[15]。先前的研究已经报道,CTPS可以在各种生物中形成丝状结构,即细胞蛇,这是已知的对CTPS活性和稳定性起调节作用的结构[26～27]。而CTPS的磷酸化可能对细胞蛇的形成能力产生影响,从而影响代谢的调节。该酶很大程度上为研究细胞蛇在调节核苷酸代谢和生殖系细胞增殖等方面提供了新方向。其中还有两个关键问题需要解决:一是EN-DU-2的直接靶点,这是了解该内切酶如何控制CTPS-1活性的关键;二是CTPS-1的磷酸化对生殖系细胞的增殖发育发挥作用的具体机制[15]。此外,细胞蛇在细胞代谢和发育过程中仍有许多潜在机制值得挖掘。一方面,研究者发现细胞蛇在不同组织中的分布是动态和异质的,探究其在不同组织中的丰度和发育状态的时间窗,有益于寻找其适应细胞增殖和分化的具体机制[28]。另一方面,在细胞氮代谢过程中,低渗环境会影响细胞蛇的完整性,而其与渗透压之间的关系可能涉及丝裂原激活的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)等相关通路[29]。因此,细胞蛇参与调节细胞代谢、增殖和发育的生物学功能是非常复杂且具有挑战性的,但不可否认,随着细胞蛇研究的逐渐深入,人们对细胞蛇的认识越来越清晰,未来对细胞蛇的应用可能具有重大的意义。

4 总结和展望

细胞蛇是近些年才发现的无膜细胞器,其研究处于起步阶段,很多机制尚未研究透彻,有许多疑问仍值得进一步探索。如:细胞蛇促进癌细胞增殖的机制是什么？能否将细胞蛇作为药物靶点进行靶向治疗？能否通过检测细胞蛇的形成及数量来辅助检测癌症的发生和预后？另一方面,现有研究显示,细胞蛇在干细胞中主要起到促进增殖的作用,那么细胞蛇与细胞的有丝分裂或减数分裂是否存在相关性或其他密切联系？另外,近年来,细胞蛇成为研究无膜细胞器对细胞发育、代谢影响的热点,其中很多相关的机制也值得挖掘,比如:细胞蛇在温度中的动态变化该如何解释等。总的来讲,新型无膜细胞器——细胞蛇的发现,为细胞功能学研究领域带来了新的挑战,也为临床疾病的研究带来了新的契机。研究细胞蛇对细胞增殖、代谢、发育等所产生的影响,可推动癌细胞的辅助诊断和靶向治疗,以及神经性疾病的干预治疗;研究细胞蛇促进卵泡等生殖细胞增殖的机制,探索其与生殖细胞的有丝分裂、减数分裂以及体外成熟的联系,可推动卵泡细胞体外培养体系的建立以及生殖细胞体外成熟机制的研究,从而为生殖生物学和生殖医学的进一步发展开辟新的领域。综上所述,细胞蛇这一新型细胞器在人类不同类型细胞中发挥的作用不尽相同,但其具体机制仍有许多谜团,进一步深入研究细胞蛇的结构和功能,在指导疾病诊断和治疗及推动生殖医学发展等方面均有前瞻性意义。